鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)在超高跨越鋼管塔中的應(yīng)用分析*

黃 濤 李布輝 朱 姣 寧帥朋 談 磊

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司建設(shè)分公司, 南京 210011; 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司, 南京 211102)

0 引 言

我國幅員遼闊、河網(wǎng)密布,大江大河成了輸電線路工程的天然屏障,涌現(xiàn)了許多大跨越工程,據(jù)統(tǒng)計全國有約300個大跨越工程?？缭剿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計是整個大跨越工程的關(guān)鍵點(diǎn),鋼管塔具有結(jié)構(gòu)形式簡單、整體剛度大、承載力性能好、塔身風(fēng)阻系數(shù)小、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn),因此大跨越桿塔首選鋼管塔結(jié)構(gòu)形式[1-4]。

鋼管塔常用節(jié)點(diǎn)形式有相貫節(jié)點(diǎn)和插板節(jié)點(diǎn)。插板節(jié)點(diǎn)制作和安裝比較方便,傳力方式和破壞模式不同于相貫節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的平面外連接剛度較小,節(jié)點(diǎn)板與主管連接部位容易發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)[5-6]。相貫節(jié)點(diǎn)連接為主管相通,支管通過端部相貫線加工后與主管圍焊。該節(jié)點(diǎn)傳力直接、連接剛度大、承載能力高、焊接殘余變形小,但對加工精度要求比較高[7-8]。舟山一跨(塔高370 m)和舟山二跨(塔高380 m)采用了空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中常用的焊接空心球節(jié)點(diǎn),球節(jié)點(diǎn)具有對稱、傳力均勻、各向同性的特點(diǎn),可通過調(diào)整鋼球直徑來避免鋼管重疊[9-11]。但是球節(jié)點(diǎn)的焊接工作量大,焊后節(jié)點(diǎn)局部殘余應(yīng)力分布不均勻,不利于節(jié)點(diǎn)的長期疲勞受力。基于鋼管塔現(xiàn)有焊接節(jié)點(diǎn)存在的缺陷和不足,迫切需要提出一種新型節(jié)點(diǎn)形式。鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其良好的塑性、韌性、可焊性及靈活性等優(yōu)點(diǎn),通常作為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型、特大型空間建筑結(jié)構(gòu)體系中。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用在我國起步較晚,但經(jīng)過幾十年的積累和發(fā)展,相關(guān)的材料體系和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都比較完善[12-13]。本文以500 kV鳳城—梅里長江大跨越塔作為工程背景,跨越塔全高385 m,桿塔高度世界第一。通過開展塔頭復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)的選型分析,根據(jù)選型結(jié)果推薦跨越塔下橫擔(dān)與主材連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT,并開展了鑄鋼節(jié)點(diǎn)在大跨越塔中的應(yīng)用分析。

1 工程背景

500 kV鳳城—梅里長江大跨越工程是江蘇省內(nèi)第五過江通道,是華東電網(wǎng)500 kV輸變電網(wǎng)架的重要組成部分,建成后可有效提高過江斷面潮流輸送能力。該工程長江跨越段線路基本為南北走向,北岸跨越點(diǎn)位于靖江市新橋鎮(zhèn),在江陰大跨越下游約700 m處,南岸跨越點(diǎn)位于江陰市利港鎮(zhèn),在江陰大跨越下游約300 m處。兩岸跨越塔均位于堤外農(nóng)田中,地形平坦開闊。跨越處兩岸堤距約為2 190 m,跨越方式為“耐-直-直-耐”,采用“直-直”方式跨越長江,耐張段全長4 055 m,跨越檔距2 550 m,檔距分布為“755 m-2 550 m-750 m”。導(dǎo)線采用4×JLHA1/G6A-500/280特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線,地線采用2根OPGW-350。設(shè)計風(fēng)速為32 m/s,地面粗糙度類別為B類,最大覆冰厚度為10 mm,設(shè)計重現(xiàn)期為50 a。

跨越塔呼高342.5 m,塔頭高度42.5 m,全高為385 m,屬于超高跨越塔。塔身設(shè)有1次變坡,變坡高度為332 m,采用同塔500 kV雙回路架設(shè)方案,導(dǎo)線采用正三角形排列方式,上橫擔(dān)掛1相導(dǎo)線和1根地線,下橫擔(dān)掛2相導(dǎo)線?？缭剿_為75 m,塔頭開口寬度為14 m,上橫擔(dān)和下橫擔(dān)長度均為46 m,跨越塔主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為5 220 t。圖1、圖2所示為跨越塔下橫擔(dān)壓桿-主材連接節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)處空間有10根桿件交匯于此,不同桿件規(guī)格和材質(zhì)如表1所示。

圖1 壓桿節(jié)點(diǎn)Fig.1 The joint of compression members

圖2 節(jié)點(diǎn)空間交匯桿件Fig.2 Intersection members of spatial joints

表1 跨越塔下橫擔(dān)壓桿節(jié)點(diǎn)交匯桿件信息Table 1 Information of intersection members of the jointof bottom-crossarm compression members mm

2 節(jié)點(diǎn)選型

2.1 相貫焊節(jié)點(diǎn)

對于圖1所示空間節(jié)點(diǎn),若采用常規(guī)相貫焊節(jié)點(diǎn),其正面視圖如圖3所示。該節(jié)點(diǎn)質(zhì)量約為6.3 t,材質(zhì)為Q420,節(jié)點(diǎn)高度為2.0 m。由于跨越塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,且節(jié)點(diǎn)各支管規(guī)格偏大,節(jié)點(diǎn)正面桿件6(φ406×10)和桿件8(φ529×14)之間重疊部分的長度為225 mm,桿件9(φ529×14)和桿件8(φ529×14)之間重疊部分的長度為438 mm,核心區(qū)桿件的重疊使得節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力傳遞路徑變得復(fù)雜,局部應(yīng)力集中效應(yīng)明顯。同時,桿件6和桿件9角部的空間相貫線切割非常困難,局部焊縫質(zhì)量很難保證,且焊縫檢測難度大。

圖3 相貫節(jié)點(diǎn)正面Fig.3 Frontal view of the tubular joint

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[14](簡稱《鋼標(biāo)》)中有關(guān)于鋼管搭接相貫節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造要求及承載力計算方法。但是對于超高跨越塔下橫擔(dān)壓桿節(jié)點(diǎn),由于該節(jié)點(diǎn)各桿件的受力都比較大,且長期處于交變風(fēng)荷載作用下,使得節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜,對節(jié)點(diǎn)的安全性和可靠度的要求更高,因此下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)不推薦采用相貫焊節(jié)點(diǎn)。

2.2 焊接空心球節(jié)點(diǎn)

對于圖1所示空間節(jié)點(diǎn),若采用焊接球節(jié)點(diǎn),其正面視圖如圖4所示。該節(jié)點(diǎn)質(zhì)量約為8.7 t,材質(zhì)為Q420,節(jié)點(diǎn)高度為2.1 m,節(jié)點(diǎn)交匯桿件與球體外壁采用相貫焊連接,核心球節(jié)點(diǎn)直徑達(dá)到了1.65 m,球殼的厚度為26 mm,屬于超大直徑空間球節(jié)點(diǎn),需要在球體內(nèi)壁布置多道環(huán)向加勁板防止球壁發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象,且環(huán)向加勁板的數(shù)目對承載力的影響比較大。根據(jù)分析需設(shè)置沿環(huán)向均勻分布的8道內(nèi)肋板,肋板厚度為20 mm,寬度為100 mm,肋板與球節(jié)點(diǎn)內(nèi)壁焊接。試驗(yàn)測得焊接球節(jié)點(diǎn)的破壞主要發(fā)生在主管與球壁的交界處,為強(qiáng)度破壞。

圖4 焊接球節(jié)點(diǎn)正面Fig.4 Frontal view of the welded spherical joint

由于焊接球節(jié)點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)需焊接大量的加勁板,加勁板焊縫均為手動焊接,焊接工作量大,內(nèi)部加勁肋需要工人進(jìn)到球腔內(nèi)部焊接,加工難度非常大。焊后需要采取復(fù)雜的熱處理工藝消除球體內(nèi)外側(cè)的焊接殘余應(yīng)力,對廠家的加工工藝的要求非常高,且鍍鋅過程中容易在球腔內(nèi)部形成局部積鋅。因此,下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)不推薦采用焊接球節(jié)點(diǎn)。

2.3 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)

對于圖1所示節(jié)點(diǎn),若采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),其空間構(gòu)造如圖5所示。鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口規(guī)格及管口到中心點(diǎn)距離見表1,各支管管口到中心點(diǎn)的最小距離為0.85 m,到中心點(diǎn)的最大距離為1.25 m,節(jié)點(diǎn)高度為2.45 m,節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為10.1 t。各支管內(nèi)壁與支管軸線的夾角為4°～6°,鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT,屬于焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼,可承受直接動力荷載作用,其物理性能指標(biāo)與普通鋼材一致。

圖5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)三維Fig.5 3D view of the cast steel joint

鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用一體化澆鑄工藝,很好地解決了節(jié)點(diǎn)多個桿件空間交匯的問題,避免了核心區(qū)縱橫交錯的焊縫帶來的加工難度,且節(jié)點(diǎn)核心區(qū)遠(yuǎn)離焊縫影響區(qū)。如圖6所示,節(jié)點(diǎn)各支管管口通過接頭法蘭、連接螺栓與跨越塔身對應(yīng)方位的桿件連接。不同形式節(jié)點(diǎn)對比情況如表2所示,鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量和尺寸大于焊接球節(jié)點(diǎn)和相貫節(jié)點(diǎn),造價也略高;但是鑄鋼節(jié)點(diǎn)不存在其他兩種節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn),使得節(jié)點(diǎn)和整塔結(jié)構(gòu)更加安全可靠,因此下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)。

圖6 鑄鋼節(jié)點(diǎn)正面Fig.6 Frontal view of the cast steel joint

表2 不同形式節(jié)點(diǎn)對比Table 2 Comparisons of different joint types

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用

3.1 材料性能參數(shù)

為了充分了解G20Mn5QT的力學(xué)性能參數(shù),開展鑄鋼試塊的力學(xué)性能試驗(yàn)。試塊的形狀、尺寸、澆鑄方法和試樣切取位置參照文獻(xiàn)[15]的規(guī)定,力學(xué)試塊與工程用鑄鋼節(jié)點(diǎn)同批次加工。表3中分別列出了G20 Mn5QT材料的低溫沖擊功、強(qiáng)度、斷后延伸率及碳當(dāng)量等參數(shù),材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服臺階。由表3可知,鑄鋼的實(shí)測屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大于GB/T 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》(簡稱《規(guī)范》)[15]的規(guī)定限值;材料低溫沖擊韌性和斷后伸長率指標(biāo)明顯高于《規(guī)范》限值,表現(xiàn)出良好的韌性、塑性變形能力和動力荷載承受能力;材料的碳當(dāng)量低于《規(guī)范》限值,表現(xiàn)出良好的可焊性。

表3 G20Mn5QT鑄鋼材料性能參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of G20Mn5QT cast steel

3.2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計算

由表3可知,G20 Mn5QT材料的斷后伸長率和強(qiáng)屈比滿足Q355普通鋼材的性能指標(biāo),根據(jù)JGJ/T 395—2017《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]要求,可按《鋼標(biāo)》中的規(guī)定進(jìn)行計算分析。在荷載設(shè)計值作用下,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力采用有限元法按彈性計算,其強(qiáng)度應(yīng)按下列公式計算:

σzs≤βff

(1a)

(1b)

式中:σzs為折算應(yīng)力, MPa;σ1、σ2、σ3分別為計算點(diǎn)處的第一、第二、第三主應(yīng)力, MPa;βf為折算應(yīng)力的強(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù), 當(dāng)節(jié)點(diǎn)各主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力時,βf=1.2; 當(dāng)節(jié)點(diǎn)各主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力時,βf=1.0, 且最大主應(yīng)力應(yīng)滿足σ1≤1.1f; 其他情況時,βf=1.1。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口與法蘭板采用環(huán)形對接焊縫連接,當(dāng)該對接焊縫承受軸心拉力或軸心壓力作用時,其強(qiáng)度應(yīng)按下列公式計算:

(2a)

(2b)

3.3 節(jié)點(diǎn)有限元分析

3.3.1分析模型

鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析采用10結(jié)點(diǎn)二次四面體C3D10實(shí)體單元,該單元精確度高,可模擬任意幾何形狀的截面,具有較強(qiáng)的適用性。在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件連接處、內(nèi)外表面拐角處等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,實(shí)體單元的邊長取20 mm,小于該處最薄厚度,有限元模型如圖7所示。鑄鋼本構(gòu)關(guān)系采用三折線隨動強(qiáng)化模型模擬(圖8),強(qiáng)化階段切線模量Et取0.2E(E為彈性模量),屈服強(qiáng)度fy和抗拉強(qiáng)度fu采用表3中的實(shí)測值。鑄鋼材料各向同性,且復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用von Mises屈服準(zhǔn)則。

圖7 鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.7 Finite element model of cast steel joint

圖8 鑄鋼材料本構(gòu)曲線Fig.8 The material constitutive curve of cast steel

根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的工作狀況對有限元模型施加合理的位移邊界條件和受力邊界條件,對2號支管管口施加軸向位移約束及側(cè)向位移約束,即限制2號管口x、y、z方向的位移;在其余支管管口分別將各工況下軸向力轉(zhuǎn)化為均布面荷載進(jìn)行施加,并按荷載工況同步施加各支管作用力。根據(jù)跨越塔整體結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果:45°大風(fēng)工況控制桿件1、桿件2和桿件4;斷線工況控制桿件3、桿件7～桿件10;90°大風(fēng)工況控制桿件5;起吊工況控制桿件6。表4中分別列出了上述4種工況下節(jié)點(diǎn)各支管的設(shè)計荷載。

表4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)分析工況Table 4 Analytical load cases of cast steel joints

3.3.2分析結(jié)果

不同工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖9所示?？梢钥闯?在45°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為93.13 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.59 mm;在90°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為80.28 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.51 mm;在斷線工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為112.34 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.62 mm;在起吊工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為76.92 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.49 mm。在45°大風(fēng)和90°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身斜材與主管相貫交匯部位,斷線和起吊工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件3(橫擔(dān)壓桿)的管口部位。由式(2)和鑄鋼實(shí)測強(qiáng)度可知,節(jié)點(diǎn)的折算應(yīng)力σzs為268.4 MPa,上述4種工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)力均小于折算應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)。

a—45°大風(fēng)工況; b—90°大風(fēng)工況; c—斷線工況; d—安裝工況。圖9 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布 MPaFig.9 Stress distribution of the cast steel tubular joint

3.3.3極限承載力

根據(jù)CECS 235∶2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[17]要求,采用彈塑性有限元分析結(jié)果確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計值時,其值不應(yīng)大于極限承載力的1/3,采用有限元方法求得上述4種工況下節(jié)點(diǎn)的極限承載力。加載過程中,對各支管施加的軸力按照設(shè)計荷載進(jìn)行等比例放大,直到節(jié)點(diǎn)進(jìn)入極限狀態(tài)。如表5所示,45°大風(fēng)和90°大風(fēng)工況下,節(jié)點(diǎn)極限承載力分別為91,87 MN,破壞部位均為2號支管管口;斷線和起吊工況下,節(jié)點(diǎn)極限承載力分別為52,51 MN,破壞部位均為3號支管管口。4種工況下的設(shè)計承載力分別為30.333,29,17.333,17 MN,設(shè)計荷載F0與設(shè)計承載力的F1的比值分別為33.6%、30.4%、31.5%和21.9%,說明該鑄鋼節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。

表5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)極限承載力和設(shè)計承載力Table 5 Ultimate bearing capacity and design bearingcapacity of the cast steel joint

3.4 管口連接法蘭

鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口設(shè)有剛性法蘭,剛性法蘭具有很好的連接剛度和承載力性能,在重要工程的主要受力構(gòu)件連接中應(yīng)用較為普遍。法蘭受壓時,主管壓力由管壁和法蘭板之間的環(huán)向連接焊縫傳遞;法蘭受拉時,主管拉力由連接螺栓傳遞,法蘭板厚度、加勁板尺寸由受拉螺栓所在區(qū)格控制。如圖10所示,鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口與法蘭板通過環(huán)向T接焊縫連接,法蘭盤內(nèi)徑小于支管內(nèi)徑,并設(shè)置沿環(huán)向均勻分布的加勁板。管口與法蘭板連接焊縫、加勁板連接焊縫質(zhì)量等級為二級,法蘭板和加勁板的材質(zhì)為Q355,連接螺栓材質(zhì)為8.8級。

圖10 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)連接法蘭Fig.10 Connection flanges of the cast steel tubular joint

4 結(jié) 論

以500 kV鳳城—梅里長江大跨越塔作為工程背景,開展跨越塔頭下橫擔(dān)-主材連接節(jié)點(diǎn)選型,并開展了節(jié)點(diǎn)應(yīng)用分析,形成主要結(jié)論如下:

1)比選了相貫焊節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)和鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),其中鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)采用整體澆鑄技術(shù),有效解決了節(jié)點(diǎn)多根桿件空間交匯的問題,避免了復(fù)雜的焊接工藝,且節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、應(yīng)力分布合理。因此,跨越塔下橫擔(dān)-主材連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)。

2)鑄鋼節(jié)點(diǎn)同批次試件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示:G20Mn5QT鑄鋼材料具有良好的韌性、塑性變形能力和可焊性,適合在超高大跨越鋼管塔中應(yīng)用。

3)鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果顯示:在設(shè)計荷載作用下,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力為112.34 MPa,最大變形為0.62 mm,節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)。

4)計算得到45°大風(fēng)和90°工況下,節(jié)點(diǎn)設(shè)計承載力分別為30 333 kN和29 000 kN;斷線和起吊工況下,設(shè)計承載力分別為17 333 kN和17 000 kN,F0/F1的最大值為33.6%,說明該鑄鋼節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。